Caractériser des nanoparticules hybrides en les faisant vibrer.

19 septembre 2011

En analysant les vibrations d’une nanoparticule composite, des physiciens français et espagnols ont montré que son cœur sphérique métallique était solidaire de sa coque diélectrique. Cette caractérisation de la qualité d’une surface de contact entre deux matériaux à l’échelle nanométrique est une étape importante vers le développement de nanoparticules dont les propriétés physiques sont ajustées à volonté grâce à l’association de composés de natures différentes. Ce travail mené au LASIM (CNRS / Univ. Lyon 1) et à l’Université de Vigo a fait l’objet d’une publication dans la revue Nano Letters.


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Une approche efficace pour contrôler et ajuster les propriétés physiques des matériaux nanostructurés consiste à réaliser des matériaux hybrides. Il s’agit d’associer à l’échelle du nanomètre (millionième de millimètre) plusieurs composés. Encore faut-il être en mesure de déterminer les propriétés électriques, mécaniques ou optiques des surfaces de contact. Des physiciens de l’équipe FemtoNanoOptics du Laboratoire de Spectroscopie Ionique et Moléculaire (LASIM), unité mixte du CNRS et de l’Université Lyon 1, viennent de démontrer une méthode originale reposant sur l’analyse des vibrations acoustiques de nanosphères provoquées par impulsions laser ultrabrèves. Les chercheurs ont immergé dans un liquide des nanosphères d’argent enrobées par une capsule transparente de verre, synthétisées par une équipe de chimistes de l’Université de Vigo en Espagne au sein d’une collaboration avec l’équipe lyonnaise. Ils ont ensuite excité ces nanosphères par des impulsions laser ultrabrèves d’une durée de quelques femtosecondes (1 fs = 10^-15 s). Une première impulsion infrarouge apporte à la sphère de l’énergie, l’échauffant et excitant une vibration selon un mode de "respiration" (contraction et dilatation périodique). Une seconde impulsion dans le vert suit la première impulsion après un délai ajustable, elle permet de caractériser optiquement les propriétés de la sphère en mesurant son absorption. Les résultats expérimentaux montrent que l’observation du mode de respiration et la mesure de sa fréquence nous renseignent directement sur la nature du contact nanométrique entre le cœur métallique d’argent et sa couronne. En effet, si le cœur et la couronne sont mécaniquement isolés, alors le cœur vibre à sa propre fréquence, qui dépend uniquement de sa forme et du matériau qui le compose. Si en revanche il y a un bon contact entre le cœur d’argent et la couronne extérieure, celle-ci affecte la fréquence du mode de respiration.


© Aurélien Crut - LASIM: Vibrations de nanoparticules cœur-coquille en liquide. Vue artistique.

Cette étude montre donc à quel point les techniques optiques (excitation et détection laser) constituent un outil précieux pour étudier des propriétés très générales des systèmes nanométriques (dans ce cas des propriétés acoustiques), permettant ainsi d’obtenir des informations qu’il serait très difficile d’extraire autrement. L’étude du contact à l’échelle nanométrique est également intéressante vis-à-vis de certaines applications technologiques, par exemple pour la conception de nano-balances.

En savoir plus

Acoustic Vibrations of Metal-Dielectric Core-Shell Nanoparticles, Denis Mongin, Vincent Juvé, Paolo Maioli, Aurélien Crut, Natalia Del Fatti, et Fabrice Vallée, Ana Sànchez-Iglesias, Isabel Pastoriza-Santos, et Luis M. Liz-Marzàn. Nano Letters 11, 3016-3021 (2011).